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Die Erfindung betrifft eine Niederdruckgasentladungslampe,
die mit einem Gasentladungsgefäß, das eine
Gasfüllung
enthält,
mit Elektroden und mit Mitteln zur Erzeugung und Aufrechterhaltung
einer Niederdruckgasentladung ausgerüstet ist.
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Die Lichterzeugung in Niederdruckgasentladungslampen
beruht darauf, dass Ladungsträger, insbesondere
Elektronen, aber auch Ionen, durch ein elektrisches Feld zwischen
den Elektroden der Lampe so stark beschleunigt werden, dass sie
in der Gasfüllung
der Lampe durch Zusammenstöße mit den Gasatomen
oder Molekülen
der Gasfüllung
diese anregen oder ionisieren. Bei der Rückkehr der Atome oder Moleküle der Gasfüllung in
ihren Grundzustand wird ein mehr oder weniger großer Teil
der Anregungsenergie in Strahlung umgewandelt.
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Konventionelle Niederdruckgasentladungslampen
enthalten Quecksilber in der Gasfüllung und weisen außerdem einen
Leuchtstoffüberzug
innen auf dem Gasentladungsgefäß auf.
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Es ist ein Nachteil der Quecksilber-Niederdruckgasentladungslampen,
dass Quecksilberdampf primär
Strahlung im hochenergetischen, aber unsichtbaren UV-C-Bereich des
elektromagnetischen Spektrums abgibt, die erst durch die Leuchtstoffe
in die sichtbare, wesentlich niederenergetischere Strahlung umgewandelt
werden muss. Die Energiedifferenz wird dabei in unerwünschte Wärmestrahlung
umgewandelt.
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Das Quecksilber in der Gasfüllung wird
außerdem
auch verstärkt
als umweltschädliche
und giftige Substanz angesehen, die in modernen Massenprodukten
aufgrund der Umweltgefährdung
bei Anwendung, Produktion und Entsorgung möglichst vermieden werden sollte.
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Es ist bereits bekannt, das Spektrum
von Niederdruckgasentladungslampen zu beeinflussen, indem man das
Quecksilber in der Gasfüllung
durch andere Stoffe ersetzt.
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Beispielsweise ist aus
GB 2 014 358 A eine Niederdruckgasentladungslampe
bekannt, die ein Entladungsgefäß, Elektroden
und eine Füllung
umfasst, die wenigstens ein Kupferhalogenid als UV-Emitter enthält. Diese
kupferhalogenidhaltige Niederdruckgasentladungslampe emittiert im
sichtbaren Bereich sowie im UV-Bereich bei 324,75 und 327,4 nm.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Niederdruckgasentladungslampe zu schaffen, deren
Strahlung möglichst
nahe am sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch
eine Niederdruckgasentladungslampe, die mit einem Gasentladungsgefäß, das eine
Gasfüllung
mit einem Metallchelatkomplex aus einem zentralen Metallion und
mindestens einem zwei- oder mehrzähligem Liganden und mit einem
Puffergas enthält,
mit inneren oder äußeren Elektroden
und mit Mitteln zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Niederdruckgasentladung
ausgerüstet
ist.
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In der erfindungsgemäßen Lampe
findet eine molekulare Gasentladung bei Niederdruck statt, die Strahlung
im sichtbaren blauen und nahen UVA-Bereich des elektromagnetischen
Spektrum abgibt. Da es sich um die Strahlung einer molekularen Entladung
handelt, ist die genaue Lage des Kontinuums durch die Art des Metallchelatkomplexes,
etwaiger weiterer Additive sowie durch Lampeninnendruck und Betriebstemperatur
steuerbar.
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Kombiniert mit Leuchtstoffen hat
die erfindungsgemäße Lampe
eine visuelle Effizienz, die beträchtlich höher ist als die von konventionellen Niederdruckquecksilberentladungslampen.
Die visuelle Effizienz, ausgedrückt
in Lumen/Watt ist das Verhältnis
zwischen der Helligkeit der Strahlung in einem bestimmten sichtbaren
Wellenlängenbereich
und der Erzeugungsenergie für
die Strahlung. Die hohe visuelle Effizienz der erfindungsgemäßen Lampe
bedeutet, dass eine bestimmte Lichtmenge durch weniger Leistungsaufnahme
realisiert wird.
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Außerdem wird die Verwendung
von Quecksilber vermieden.
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Eine vorteilhafte Verwendung findet
die erfindungsgemäße Lampe
als UV-A-Lampe für
Sonnenbänke,
Desinfektionsleuchten und Lackhärtungsbeleuchtungen.
Für allgemeine
Beleuchtungszwecke wird die Lampe mit entsprechenden Leuchtstoffen kombiniert.
Weil die Verluste durch Stokesche Verschiebung gering sind, erhält man sichtbares
Licht mit einer hohen Lichtausbeute von mehr als 100 Lumen/Watt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
kann es bevorzugt sein, dass das zentrale Metallion des Metallchelatkomplex
ausgewählt
ist aus den zweiwertigen Ionen des Chroms, Kobalts, Kupfers, Nickels
und Eisens.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
kann es bevorzugt sein, dass die Liganden des Metallchelatkomplexes
ausgewählt
sind unter den Phthalocyanin-Verbindungen, Azo-Verbindungen, Azomethin-Verbindungen,
Isoindolinon-Verbindungen, Azoic-Verbindungen, Anthrachinon-Verbindungen, Caratenoid-Verbindungen,
Quinolin-Verbindungen, Xanthen-Verbindungen, Diarylmethan- Verbindungen,
Triarylmethan-Verbindungen, Stilben-Verbindungen, Indigoid-Verbindungen,
und Nitro-Verbindungen.
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Es ist besonders bevorzugt, dass
der Metallchelatkomplex Kupferphthalocyanin ist.
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Besonders vorteilhafte Wirkungen
gegenüber
dem Stand der Technik werden erhalten, wenn die Gasfüllung Kupferphthalocyanin
enthält.
Man erhält
eine Gasentladung mit einem breiten kontinuierlichen Spektrum.
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Eine weiter verbesserte Effizienz
kann erreicht werden, wenn die Gasfüllung ein Gemisch aus zwei
oder mehreren Metallchelatkomplexen enthält.
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Die Gasfüllung kann als Puffergas ein
Edelgas, ausgewählt
aus der Gruppe Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon umfassen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
kann es bevorzugt sein, dass das Gasentladungsgefäß einen
Leuchtstoffüberzug
auf der äußeren Oberfläche aufweist.
Die UVA-Strahlung,
die von der erfindungsgemäßen Niederdruckgasentladungslampe
abgestrahlt wird, wird von den gängigen
Glassorten nicht absorbiert, sondern passiert die Wände des
Entladungsgefäßes nahezu
verlustfrei. Der Leuchtstoffüberzug
kann deshalb auf der Außenseite
des Gasentladungsgefäßes angebracht
werden. Dadurch wird das Herstellungsverfahren vereinfacht.
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Es kann auch bevorzugt sein, dass
das Gasentladungsgefäß einen
Leuchtstoffüberzug
auf der inneren Oberfläche
aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
von einer Figur und einem Ausführungsbeispiel
weiter erläutert.
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1 zeigt
schematisch die Lichterzeugung in einer Niederdruckgasentladungslampe
mit einer Gasfüllung,
die Kupferphthalocyanin enthält.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Niederdruckgasentladungslampe
aus einem rohrförmigen
Lampenkolben 1, der einen Entladungsraum umgibt. An beiden
Enden des Rohrs sind innen Elektroden 2 eingeschmolzen, über die
die Gasentladung gezündet
werden kann. Die Niederdruckgasentladungslampe umfasst weiterhin
in an sich bekannter Weise ein elektrisches Vorschaltgerät, das die
Zündung
und den Betrieb der Gasentladungslampe regelt.
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Das Gasentladungsgefäß kann auch
als ein mehrfach gefaltetes oder gewendeltes Rohr ausgeführt und
von einem Außenkolben
umgeben sein.
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Die Wand des Gasentladungsgefäßes besteht
bevorzugt aus einer Glassorte, Quarz, Aluminiumoxid oder Yttrium-Aluminium-Granat.
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Die Gasfüllung besteht im einfachsten
Fall aus einem Metallchelatkomplex ML2 in einer Menge von 2 × 10–11Mol/cm3 bis 2 × 10–9Mol/cm3 und einem Edelgas. Das Edelgas dient als
Puffergas und erleichtert die Zündung
der Gasentladung. Bevorzugtes Puffergas ist Argon. Argon kann ganz
oder teilweise durch ein anderes Edelgas, wie Helium, Neon, Krypton
oder Xenon ersetzt werden.
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Die Metallchelatkomplexe, die für die Erfindung
geeignet sind, sind Metallchelatkomplexfarbstoffe und Metallchelatkomplexpigmente.
Sie umfassen ein zentrales Metallion, vorwiegend zweiwertige Metallkationen
mit der Koordinationszahl 4, und zwei- oder mehrzähnigen Liganden,
die an das Metallion in Chelatform gebunden sind.
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Als Liganden kommen die bekannten
Chromophore in Betracht, wie z. B. Azo-, Azoic-, Anthrachinon-,
Caratenoid-, Quinolin-, Xanthen, Diarylmethan-, Triarylmethan-,
Stilben-, Indigoid- , Phthalocyanin-, Nitro-Verbindungen, und alle
weiteren bekannten Chromophore, wie sie auch im Colour Index unter C1
11000 bis C1 77999 aufgelistet werden und die eine Chelatbindung
eingehen können.
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Bevorzugt als Liganden sind Azo-Verbindungen
und Phthalocyanine, deren Sauerstoff- oder Stickstoffatome an der Chelatbindung
beteiligt sind.
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Je nach Zahl der Liganden pro Metallion kann
es sich um 1:1 oder 1:2-Komplexe handeln. Bei den 1:1-Komplexen
werden die freien Koordinationsstellen durch einzähnige Liganden
wie Wasser oder Hydroxidionen besetzt.
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Als zentrales Metallion des Metallchelatkomplex
kommen bevorzugt zweiwertige Ionen, ausgewählt aus den zweiwertigen Ionen
des Chroms, Kobalts, Kupfers, Nickels und Eisens, für die Erfindung in
Betracht.
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Besonders bevorzugt als Metallchelatkomplex
sind Kupferphthalocyanin oder ein Derivat des Kupferphthalocyanins,
wie beispielsweise Kupfer-1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecachlor-29H,31H-phthalocyanin,
Kupfer-1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecabrom-29H,31H-phthalocyanin
oder Kupferphthalocyanin- Derivate mit unterschiedlichster Art und Anzahl
an Halogen-Atome an den substituierbaren Stellen der vier Benzol-Ringe.
Diese Metallchelatkomplexverbindungen, insbesondere Kupferphthalocyanin
selbst, sind temperaturstabil, widerstehen den rigiden Prozessbedingungen
bei Herstellung einer Niederdruckgasentladungslampe und weisen je
nach Substitution eine hohe Emission im Bereich zwischen nahem UV
und dem sichtbaren blauen Bereich auf.
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Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung
besteht darin, zwei oder mehr Metallchelatkomplexe in der Gasatmosphäre zu kombinieren.
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Die Effizienz kann weiterhin verbessert
werden, wenn der Betriebsinnendruck der Lampe optimiert wird. Der
Kaltfülldruck
des Puffergases ist optimal, wenn das Produkt aus dem Kaltfülldruck
des Edelgases p mit dem kleinsten Durchmesser des Gasentladungsgefäßes d die
Bedingung 0,2 mbar cm < p.d < 20 mbar cm erfüllt.
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Als weitere vorteilhafte Maßnahme zur
Steigerung der Lumeneffizienz der Niederdruckgasentladungslampe
hat sich die Kontrolle der Betriebstemperatur der Lampe durch geeignete
konstruktive Maßnahmen
erwiesen, so dass während
des Betriebes bei einer Außentemperatur
von 25 °C
eine Innentemperatur entsprechend T* ± 50 [K] gemäß Tab. 1 erreicht
wird. Die Innentemperatur T* bezieht sich auf die kälteste Stelle
des Gasentladungsgefäßes.
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Um die Innentemperatur zu erhöhen, kann das
Gasentladungsgefäß auch mit
einem Außenkolben,
der mit einer IR-Strahlung reflektierende Schicht beschichtet ist,
umgeben werden. Bevorzugt ist eine Infrarotstrahlung reflektierende
Beschichtung aus indiumdotiertem Zinnoxid.
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Ein geeigneter Werkstoff für die Elektroden in
der erfindungsgemäßen Niederdruckgasentladungslampe
besteht beispielsweise aus Nickel oder einer Nickellegierung oder
aus einem hochschmelzenden Metall, insbesondere Wolfram und Wolframlegierungen,
insbesondere Wolframlegierungen mit Rhenium. Auch Verbundwerkstoffe
aus Wolfram mit Thoriumoxid oder Indiumoxid sind geeignet. Die Elektroden
können
noch mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit beschichtet
werden.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist das Gasentladungsgefäß der Lampe
an seiner Außenfläche mit
einer Leuchtstoffschicht 4 beschichtet. Die ausgesendete
UV-Strahlung der Gasentladung regt die Leuchtstoffe in der Leuchtstoffschicht
zur Emission von Licht im sichtbaren Bereich 5 an.
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Die chemische Zusammensetzung der Leuchtstoffschicht
bestimmt das Spektrum des Lichts bzw. dessen Farbton. Die als Leuchtstoff
in Frage kommenden Materialien müssen
die erzeugte Strahlung absorbieren und in einem geeigneten Wellenlängenbereich
z. B. für
die drei Grundfarben Rot, Blau und Grün emittieren und eine hohe
Fluoreszenzquantenausbeute erreichen.
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Geeignete Leuchtstoffe und Leuchtstoffkombinationen
müssen
nicht auf die Innenseite des Gasentladungsgefäßes aufgebracht werden, sondern können auch
auf die Außenseite
aufgetragen werden, da die erzeugte Strahlung im UVA-Bereich von den
gängigen
Glassorten nicht absorbiert wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform
ist die Lampe eine kapazitiv mit einem Hochfrequenzfeld mit einer
Frequenz von beispielsweise 2,65 MHz, 13,56 MHz oder 2,4 GHz angeregte
Lampe, bei der die Elektroden außen an dem Gasentladungsgefäß angebracht
sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform
ist die Lampe eine induktiv mit einem Hochfrequenzfeld mit einer
Frequenz von beispielsweise 2,65 MHz, 13,56 MHz oder 2,4 GHz angeregte
Lampe.
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Wenn die Lampe gezündet wird,
regen die von den Elektroden emittierten Elektronen die Atome und
Moleküle
der Gasfüllung
zur Ausstrahlung von UV-Strahlung aus der charakteristischen Strahlung und
einem Molekülkontinuum
an.
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Die Entladung erwärmt die Gasfüllung so, dass
der gewünschte
Dampfdruck und die gewünschte
Betriebstemperatur, bei der die Lichtausbeute optimal ist, erreicht
wird.
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Die im Betrieb erzeugte Strahlung
der metallchelatkomplexhaltigen Gasfüllung weist neben dem Linienspektrum
der zentralen Metallionen ein intensives, breites, kontinuierliches
Molekülspektrum
auf, das durch molekulare Entladung des Komplexes verursacht ist.
Der Bereich der maximalen Emission des kontinuierlichen Molekülspektrums
verschiebt sich in der Regel zu längeren Wellenlängen mit
steigendem Molekulargewicht des Metallchelatkomplexes.
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Ausführungsbeispiel 1
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Ein zylindrisches Entladungsgefäß aus einem
Glas, das für
UVA-Strahlung durchlässig
ist, mit einer Länge
von 14 cm und einem Durchmesser von 2,5 cm wird mit äußeren Elektroden
aus Kupfer ausgerüstet.
Das Entladungsgefäß wird evakuiert
und gleichzeitig werden 0.3 mg Kupferphthalocyanin eindosiert. Ebenso
wird Argon mit einem Kaltdruck von 5 mbar eingefüllt. Es wird ein Wechselstrom
mit einer Frequenz von 13,65 MHz von einer externen Wechselstromquelle
zugeführt
und bei einer Betriebstemperatur von 433 °C die Lumeneffizienz gemessen. Die
Lumeneffizienz beträgt
100 Lm/W.